(57)【要約】【課題】シート抵抗の経時変化がないＡｌＧａＮ層とＧａＮ層のヘテロ接合構造を有する半導体装置。【解決手段】図１のように、ＡｌＧａＮ層１とＧａＮ層２のヘテロ接合構造を有する半導体装置において、ＡｌＧａＮのＡｌ組成比をｘ％、ＡｌＧａＮ層の膜厚をｙｎｍとしたとき、ｘとｙが、ｘ＋ｙ＜５５、２５≦ｘ≦４０、ｙ≧１０、を満たす値であると、ｙは臨界膜厚より小さな値であるため、ＡｌＧａＮ層にクラックが発生しない。したがって、高いＡｌ組成比でありながら、シート抵抗の経時変化がほとんどない半導体装置となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層のヘテロ接合構造を有する半導体装置において、
前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比をｘ％、前記ＡｌＧａＮ層の膜厚をｙｎｍとしたとき、
前記ｘと前記ｙが、
ｘ＋ｙ＜５５、２５≦ｘ≦４０、ｙ≧１０
を満たす値であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層のヘテロ接合構造を有する半導体装置において、
前記ＡｌＧａＮ層の前記ＧａＮ層と接合している面と反対側の面の上に、真性のＧａＮ層を有し、
前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は、３０％〜４０％であり、
前記ＡｌＧａＮ層の膜厚は、３０ｎｍ〜４５ｎｍであり、
前記真性のＧａＮ層の膜厚は、５ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記真性のＧａＮ層の膜厚は、５ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項２に半導体装置。
【請求項４】
前記ＡｌＧａＮ層と前記真性のＧａＮ層は接合していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体装置は、
前記ＡｌＧａＮ層を障壁層とし、
前記ＧａＮ層をチャネル層とし、
前記ＡｌＧａＮ層と前記ＧａＮ層の接合界面に２次元電子ガスを形成するＨＥＭＴであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体装置は、
前記ＡｌＧａＮ層を障壁層とし、
前記ＧａＮ層をチャネル層とし、
前記真性のＧａＮ層をキャップ層とし、
前記ＡｌＧａＮ層と前記ＧａＮ層の接合界面に２次元電子ガスを形成するＨＥＭＴであることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シート抵抗の経時変化が少ないIII 族窒化物半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
III 族窒化物半導体は、近年ＬＥＤやＬＤの素材として盛んに研究され、著しい発展を遂げている。特に最近では、ＬＥＤやＬＤ以外の半導体素子の材料としても研究が進み、その応用が期待されている。III 族窒化物半導体は窒素原子の特異性から強いピエゾ効果と自発分極を有している。これにより、ＡｌＧａＮとＧａＮのヘテロ接合構造においては、変調ドープ技術を用いなくても、ノンドープで大きな２次元電子ガス密度をヘテロ接合界面に実現でき、ＨＥＭＴデバイスとして注目されている。
【０００３】
この２次元電子ガス密度を高めるためには、ＡｌＧａＮのＡｌ組成を高くし、ピエゾ効果を強める方法が考えられる。しかし、この方法によりＡｌ組成を高くしたことで、ＡｌＧａＮ層のシート抵抗が時間とともに高くなる場合があり、このような方法で作製された電子デバイスは、信頼性の点で問題がある。
【０００４】
このシート抵抗の経時変化の原因は、ＡｌＧａＮに生じている微小なクラックが、時間の経過により大きなものに成長することにあると考えられている。つまり、時間の経過とともにクラックにより表面積が増大し、ヘテロ接合界面付近までクラックが進行し、そのことが表面の空乏化を促すためにキャリアの減少を引き起こし、シート抵抗の増大を引き起こすと考えられる。また、クラックにより電流通路が切断されることも、シート抵抗の増大の要因と考えられる。
【０００５】
クラック発生の主たる原因は、ＡｌＧａＮとＧａＮの格子定数が異なるために、歪みが膜厚の増加とともに蓄積されることにあると思われる。ある膜厚（臨界膜厚という）以上になると歪みに耐えきれず、クラックが発生してしまうのである。
【０００６】
そこでクラック発生を防止する方法の１つとして、ＡｌＧａＮの膜厚を臨界膜厚以下にする方法が考えられる。
非特許文献１には、臨界膜厚の理論的な計算式が示されていて、ＡｌＧａＮおよびＧａＮのポアソン比、格子定数がわかれば、臨界膜厚の計算が可能である。ここで、ＡｌＧａＮのポアソン比、格子定数は、Ａｌの組成割合によって変わる。したがって、ＡｌＧａＮとＧａＮのヘテロ接合構造に対しては、ＡｌＧａＮ層の臨界膜厚とＡｌＧａＮのＡｌ組成割合に依存関係がある。
【０００７】
一方、ＡｌＧａＮの膜厚は、特許文献１にＡｌ組成３０％で２５ｎｍ、特許文献２にＡｌ組成２０％で２５ｎｍ、が示されているが、これらの文献では、なぜその膜厚を選択したのかについて触れられておらず、また、経時変化についても言及されていない。
【０００８】
他のクラック発生を防止する方法としては、特許文献３にマグネシウムをドープする方法、特許文献４にＡｌＧａＮとＧａＮの間にＡｌＮ層を形成する方法が示されている。
【特許文献１】特開２００１−２８４５７６
【特許文献２】特開２００４−２００２４８
【特許文献３】特許第３４４１３２９号
【特許文献４】特開２００４−１１９７８３
【非特許文献１】J. W. Matthews and A. E. Blakeslee, J. Cryst. Growth, 27, 118(1974)
【非特許文献２】Polian, A., M. Grimsditch, I. Grzegory, J. Appl. Phys. 79(6) (1996), 3343-3344
【非特許文献３】Thokala, R, Chaudhuri J., Thin Solid Films 266, 2 (1995), 189-191
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、実際に非特許文献１に示されている理論式から臨界膜厚を計算しようとすると、意外に大変であることがわかる。それは、ＡｌＧａＮおよびＧａＮ結晶のポアソン比、格子定数等の物質定数に関して学会でいくつかの異なる値が報告されているためであり、原因は結晶の成長方法、エピタキシャル構造などによって物質定数が変動するためである。したがって、どの物質定数を用いるかで計算結果が異なってしまい、臨界膜厚の理論値は、現実の臨界膜厚の値と比べるとあまり正確な値とは言えない。
【００１０】
たとえば、非特許文献２に示されたＧａＮの格子定数５．１８５、ポアソン比０．３５２、および、非特許文献３に示されたＡｌＮの格子定数４．９８２、ポアソン比０．２８７から、Ａｌ組成比３０％のＡｌＧａＮの格子定数、ポアソン比をベガード則を用いた内挿法で求め、非特許文献１の理論式により臨界膜厚を計算すると３７ｎｍである。しかし、実際にＡｌ組成比３０％のＡｌＧａＮの膜厚を３０ｎｍとしてシート抵抗の経時変化について調べると、図６のグラフのように、ＡｌＧａＮの膜厚は３０ｎｍで臨界膜厚の理論値以下であるにもかかわらず、１００時間経過後あたりからシート抵抗が大きく増加していることがわかり、臨界膜厚の理論値は現実の臨界膜厚の値と大きくずれている。なお、図６のグラフの横軸は対数メモリである。
【００１１】
そこで本発明は、実験を重ねることでＡｌＧａＮのＡｌ組成とＡｌＧａＮの臨界膜厚の関係を見いだし、ＡｌＧａＮの膜厚を臨界膜厚以下とすることで、シート抵抗の経時変化が少ないＡｌＧａＮとＧａＮのヘテロ接合構造を有する半導体装置を実現することにある。
もう１つの目的は、新規な構造により、シート抵抗の経時変化が少ないＡｌＧａＮとＧａＮのヘテロ接合構造を有する半導体装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層のヘテロ接合構造を有する半導体装置において、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比をｘ％、ＡｌＧａＮ層の膜厚をｙｎｍとしたとき、ｘとｙが、
ｘ＋ｙ＜５５、２５≦ｘ≦４０、ｙ≧１０
を満たす値であることを特徴とする半導体装置である。
【００１３】
ｙ＝５５−ｘより求められるｙの値が、Ａｌ組成比ｘ％におけるＡｌＧａＮ層の臨界膜厚である。この臨界膜厚は実験を重ねることで見いだしたものである。第１の発明に示されるＡｌ組成比、膜厚の範囲であれば、ＡｌＧａＮ層は臨界膜厚より薄くなる。ここで、ｙ≧１０としたのは、それ以下の膜厚では均質な膜の作成が困難であり、また、ピットが発生する可能性もあり、抵抗を増大させる要因となるからである。ＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層は、たとえばＭｇなどの不純物がドープされていてもよい。ｘの望ましい範囲は、２５≦ｘ≦４０であり、最も望ましくは、３０≦ｘ≦３５である。ｘ≧４０では、臨界膜厚が薄すぎてＡｌＧａＮ層を均質な膜にすることが困難なため望ましくない。
【００１４】
第２の発明は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層のヘテロ接合構造を有する半導体装置において、ＡｌＧａＮ層のＧａＮ層と接合している面と反対側の面の上に、真性のＧａＮ層を有し、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は、３０％〜４０％であり、ＡｌＧａＮ層の膜厚は、３０ｎｍ〜４５ｎｍであり、真性のＧａＮ層の膜厚は、５ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする半導体装置である。
【００１５】
高いＡｌ組成比を保ったままＡｌＧａＮ層の膜厚を厚くしたい場合には、第２の発明を用いるとよい。Ａｌ組成比３０％以上で膜厚を３０ｎｍ以上とすることができ、ＡｌＧａＮ層を臨界膜厚より厚くすることができる。また、真性のＧａＮ層の膜厚は第３の発明のように２０ｎｍ以下とすることが望ましく、１００ｎｍ以上ではＡｌＧａＮの歪みを緩和しすぎてしまうことと、オーミック電極形成の容易さの観点から望ましくない。ＧａＮ層の膜厚は、５ｎｍ以上が望ましい。これより薄いと歪みを緩和させる効果がないためである。Ａｌ組成比は４０％以下、ＡｌＧａＮ層の膜厚は４０ｎｍ以下である方が望ましい。また、第４の発明のように、ＡｌＧａＮ層と真性のＧａＮ層は接していてもよいが、かならずしも接触しなければならないというわけではない。たとえば、ＡｌＧａＮ層と真性のＧａＮ層の間に金属膜を介在させてもよい。なお、第２の発明から第４の発明のいずれも、第１の発明と同じくＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層は、不純物がドープされていてもよい。
【００１６】
第５の発明は、第１の発明を用いたＨＥＭＴであり、第６の発明は、第２の発明から第４の発明のいずれかを用いたＨＥＭＴである。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明による半導体半導体装置は、ＡｌＧａＮ層の膜厚を実験により求められた臨界膜厚より薄くしたことで、クラックの発生が防止され、シート抵抗の経時変化のない半導体装置となっている。
【００１８】
第２の発明による半導体装置は、臨界膜厚を超える厚さであっても、真性のＧａＮ層を設けたことでＡｌＧａＮ層の歪みが補償されることにより、クラック発生の防止を実現している。したがって、第１の発明と同様にシート抵抗の経時変化のない半導体装置である。
【００１９】
本発明による半導体装置を用いてＨＥＭＴデバイスを作成すると、Ａｌ組成が高いためにヘテロ界面での２次元電子ガス密度が高く、かつ、経時変化による性能の劣化がみられない、有用なＨＥＭＴデバイスを作成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の具体的な実施例を図を用いて説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２１】
実施例１では、図１のようなＡｌＧａＮ層１とＧａＮ層２のヘテロ接合構造を有する半導体装置を作成し、Ａｌの組成比と、ＡｌＧａＮ層１の膜厚を変え、シート抵抗の経時変化を調べた。
【００２２】
実施例１の半導体装置は、ＳｉＣ基板４の上にＡｌＮから成るバッファ層３を形成し、その上にＧａＮ層２、ＡｌＧａＮ層１を順次ＭＯＣＶＤ法により形成することで作成した。また、ＡｌＧａＮ層１とＧａＮ層２ともにノンドープであり、ＧａＮ層２は、２μｍの厚さである。
【００２３】
Ａｌの組成比を３０％、ＡｌＧａＮ層１の膜厚を１５、２０、２５ｎｍとした場合と、Ａｌの組成比を３５％、ＡｌＧａＮ層１の膜厚を２０ｎｍとした場合の計４枚の装置を作成し、シート抵抗が時間の経過とともにどのように変化するかを調べたところ、図２のグラフの結果を得た。上三角のプロットがＡｌ組成比３０％、膜厚１５ｎｍのシート抵抗測定値、四角のプロットがＡｌ組成比３０％、膜厚２０ｎｍのシート抵抗測定値、丸のプロットがＡｌ組成比３０％、膜厚２５ｎｍのシート抵抗測定値、下三角のプロットがＡｌ組成比３５％、膜厚２０ｎｍのシート抵抗測定値である。図２のグラフを見るとわかるように、Ａｌ組成比３０％、膜厚１５、２０、２５ｎｍの試料では、１０日程度の時間経過に対しシート抵抗の変化はほとんど見られず、Ａｌ組成比３５％、膜厚２０ｎｍの試料では、４０日程度の時間経過に対しシート抵抗の変化はほとんど見られなかった。シート抵抗の値に多少のばらつきがあるが、図６のグラフのような、１００時間経過後あたりからの明らかなシート抵抗の増加は見られない。このばらつきは、測定時に１℃から２℃程度の温度の違いがあったためと思われ、クラックの発生とは無関係である。
【００２４】
図２と図６の結果から、ＡｌＧａＮ層１のＡｌ組成比をｘ％、ＡｌＧａＮ層１の膜厚をｙｎｍとし、横軸ｘ、縦軸ｙとするグラフに、シート抵抗の経時変化が見られなかった（ｘ，ｙ）の値を黒丸でプロットし、シート抵抗の経時変化が見られた（ｘ，ｙ）の値を白丸でプロットすると、図３のようになる。したがって、図３の斜線領域では、シート抵抗の経時変化がない半導体装置になると推定される。
【実施例２】
【００２５】
実施例２では、図４のようなＧａＮ層２上面にＡｌＧａＮ層１が接合し、ＡｌＧａＮ層１上面にＧａＮ層５が接合した構造を有する半導体装置を作成した。ＡｌＧａＮ層１、ＧａＮ層２、ＧａＮ層５のいずれもノンドープであり、ＧａＮ層２は２μｍの厚さ、ＡｌＧａＮ層１はＡｌ組成比３０％で３０ｎｍの厚さ、ＧａＮ層５は７５ｎｍの厚さである。
【００２６】
実施例１と同様にシート抵抗の経時変化を調べたところ、図５の結果を得た。実施例１の場合と同様に温度によると思われる値のばらつきは多少あるが、試料の作成から３００時間から５００時間の間ではシート抵抗はほとんど変化していない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明による半導体装置は、ＨＥＭＴデバイスなどの半導体デバイスの作成に利用することができ、半導体デバイスの寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施例１の半導体装置。
【図２】実施例１の半導体装置のシート抵抗の経時変化を示すグラフ。
【図３】シート抵抗の経時変化のない、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比と膜厚の関係を示す図。
【図４】実施例２の半導体装置。
【図５】実施例２の半導体装置のシート抵抗の経時変化を示すグラフ。
【図６】半導体装置のシート抵抗の経時変化を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２９】
１：ＡｌＧａＮ層
２：ＧａＮ層
３：バッファ層
４：ＳｉＣ基板
５：ＧａＮ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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